Изобретение относится к области отделения твердых частиц от газов и, в частности, к циркуляционному реактору с псевдоожиженным слоем, в котором центробежный сепаратор для отделения твердых частиц от газов содержит вихревую камеру, которая снабжена по меньшей мере одним входом для газов, которые необходимо очистить, расположенным в его верхней секции по меньшей мере одним выходом для очищенных газов, расположенным в его верхней или нижней секциях, и по меньшей мере одним выходом для отделенных частиц, расположенным в его нижней секции. В центробежном сепараторе образуется по меньшей мере один вертикальный вихрь.
Известны различные циркуляционные реакторы с центробежными циклонными сепараторами, которые содержат цилиндрическую вертикальную вихревую камеру, служащую в качестве отделяющей камеры и имеющие нижнюю секцию, выполненную в виде конусообразной, сужающейся вниз воронки. Верхняя секция вихревой камеры снабжена тангенциальным входным каналом для газового потока, который должен быть обработан. Очищенный газ обычно выпускается через центральное отверстие в верхнем конце вихревой камеры. В проходных циклонах газ выходит из вихревой камеры через центральную трубу, расположенную на дне вихревой камеры.
В циклоне твердые частицы отделяются от газов под действием центробежной силы, и они скользят вниз по стенке отделяющей камеры к конусообразной части сепаратора, откуда они удаляются. В обычном циклонном сепараторе отделение основано на взаимном действии центробежной силы и изменений в скорости потока. Газовый поток, входящий в обычный циклон, начинает завихряться по спирали в основном вниз по внешней стенке вихревой камеры, ускоряясь по мере уменьшения диаметра конусной части. В нижней секции циклона газы изменяют направление своего движения и начинают двигаться вверх в центр вихревой камеры к верхней секции сепаратора, которая снабжена выходным каналом для газа. Частицы твердого материала, собирающиеся на стенках нижней секции вихревой камеры под действием центробежной силы, не могут следовать за газами, а продолжают двигаться вниз в выходной канал.
Стенки циклона сильно изнашиваются, особенно абразивными твердыми частицами. В частности, абразивное действие может быть заметно в той части стенки после входа, в которую ударяется поток твердых частиц. Делались попытки уменьшить истирание путем защиты внутренних поверхностей вихревой камеры огнеупорным материалом, износостойким при истирании или путем изготовления вихревой камеры из износостойких при истирании, материалов. К абразивному действию твердых частиц прибавляется разрушительное действие высокой температуры.
Проблемой, с которой сталкиваются в циркуляционных реакторах с псевдоожиженном слоем, которые находят широкое применение в технологических процессах сжигания и газификации, является отделение твердых частиц, увлекаемых горячим газом, и возвращение их в реактор. Специальными требованиями, которые должны удовлетворяться в центробежном сепараторе, установленном в такой ситуации, являются способность непрерывного отделения большого количества твердых частиц от газов и противостояние эрозии, вызываемой прохождением через сепаратор больших объемов горячих газов и твердых частиц.
Основным недостатком больших реакторов является необходимость теплоизоляции циклонов, например, керамическими теплоизоляционными материалами для поддержания сравнительно низкой температуры внешней поверхности сепаратора. Для обеспечения соответствующей теплоизоляции необходимо использование сравнительно толстого слоя теплоизоляционного материала, что увеличивает стоимость, вес и объем занимаемых сепаратором площадей. Кроме того, с целью противодействия высокотемпературным условиям циклоны внутри должны облицовываться износостойкими при истирании слоями огнеупорного материала. Тем самым стенки циклона покрываются двумя слоями различных материалов. Трудной задачей и требующей затрат значительного количества времени является нанесение этих двух слоев на стенки, особенно, если один из слоев является очень толстым и должен просушиваться длительное время. Оба слоя также очень подвержены разрушению вследствие перепадов температур в течение запуска и механического напряжения в процессе работы системы.
В целом, циклон циркуляционного реактора становится устройством с толстыми изоляционными стенками, склонными к разрушению, которое занимает очень много места. Так как конструкция является тяжелой, для нее требуется прочная опорная конструкция. Эта тяжелая конструкция означает, что запуск требует значительного времени для предотвращения трещин керамических частей или облицовки. Перепады температуры в огнеупорной футеровке в процессе запуска могут вызывать их растрескивание и поэтому их не следует допускать.
Материал слоя, циркулирующий в циркуляционных реакторах с псевдоожиженным слоем, может быть очень мелкозернистым, например, если используется измельченный известняк для поглощения в слое двуокиси серы или если зола является измельченной. Это предъявляет высокие требования к циклону. Делались попытки улучшить эффективность отделения циклона путем последовательного соединения двух или более циклонов. Недостатками таких соединений являются большие потери давления, дороговизна конструкции и необходимость выделения для таких соединений больших площадей.
Предлагались циклонные батареи, состоящие из параллельно соединенных циклонов, для достижения лучшей эффективности отделения твердых частиц. Целью таких конструкций являлось достижение более высоких эффективностей отделения, используя менее громоздкие сборные части. Однако, эти циклонные батареи имели высокую стоимость и были сложными в изготовлении. Циклонные батареи требуют определенного минимального перепада давления для газа, чтобы газ всегда был равномерно распределен в различных циклонах.
Стенки циркуляционного реактора для сжигания обычно изготавливаются из трубных панелей для частичного использования тепла, выделяемого в реакторе. Циклонные сепараторы и возвратные трубы для материала, состоящего из твердых частиц, обычно являются неохлаждаемыми, теплоизолируемыми конструкциями. Взаимное соединение таких охлаждаемых и неохлаждаемых частей является трудной задачей вследствие неодинакового теплового расширения и наличия толстых теплоизолирующих слоев. Поэтому, соединение между реактором и сепаратором требуют дорогих керамических или эквивалентных теплостойких систем трубопроводов и компенсаторов. Циклонный сепаратор и секция конвекции, расположенная за ним, также требует применения специальных компенсаторов.
При изменении диаметра поперечного сечения циклона расстояние между соседними водопроводными трубами на стенке циклона изменяется, если даже не удаляются или не добавляются некоторые трубы к некоторым частям стенки циклона. Это является трудоемким процессом.
Для устранения вышеупомянутых недостатков, вызванных тепловым расширением, например, в патенте США N 4746337 предложен циклон с использованием водопроводной конструкции. Однако изготовление цилиндрического циклона трубчатой конструкции является не простым делом. Кроме того, трубные панели должны изгибаться с приобретением сложных форм в процессе изготовления, что приводит к значительным затратам времени и является трудным процессом.
В патентной заявке Финляндии N 861224 описан цилиндрический циклонный сепаратор с трубными панелями, одна из которых является общей для камеры сгорания и сепаратора частиц. Как и вышеуказанная конструкция, эта конструкция также имеет сложные изгибы водопроводных труб.
Известен циркулирующий реактор с псевдоожиженным слоем, включающий реакционную камеру, ограниченную в горизонтальном направлении вертикальными стенками, средство для введения в реакционную камеру ожижающего газа, трубу для подачи в реакционную камеру топлива или другого твердого материала, сепаратор, подсоединенный к реакционной камере, служащий для отделения твердых частиц от газов, выходящих из реакционной камеры, возвратную трубу для рециркуляции отделенных в сепараторе твердых частиц в реакционную камеру, выход для выпуска газов из сепаратора. При этом центробежный сепаратор включает вертикальную вихревую камеру, которая имеет стенки, определяющие внутреннее газовое пространство (SU, авт.св. 300984, кл. B 01 J 8/18, 1971).
Согласно изобретению разработан циркуляционный реактор с сепаратором более простой по конструкции, менее склонный к повреждениям, особенно в его изоляционных слоях, не занимающий много места и являющийся менее дорогим, чем обычные высокотемпературные циклонные сепараторы. Центробежный сепаратор может быть изготовлен из простых элементов, например, в основном из плоских или пластинчатых трубных панелей. Сепаратор может быть легко сделан модульным. Вследствие своей модульной конструкции предлагаемый сепаратор является лучше применимым, чем ранее известные конструкции, к большим циркуляционным реакторам с псевдоожиженным слоем и является очень износостойким при истирании.
Отличительным признаком предлагаемого циркуляционного реактора является то, что вихревая камера центробежного сепаратора не является цилиндрической, в основном состоит из плоских стенок, предпочтительно поперечное сечение боковых стенок вихревой камеры имеет форму квадрата, прямоугольника или другого многоугольника. Поперечное сечение внутреннего газового пространства, определяемого вихревой камерой, является совершенно некруглым. Под газовым пространством в вихревой камере подразумевается внутреннее пространство, которое может быть свободно заполнено газом. Газовое пространство практически ограничивается внутренними стенками вихревой камеры и элементами, установленными на стенке (если они имеются). Газовое пространство представляет собой пространство, в которое может свободно течь газ без ограничения какими-либо элементами, огнеупорными слоями или т.п.
Форма поперечного сечения газового пространства вихревой камеры может характеризоваться кругообразностью X, представляющей собой отношение периметра поперечного сечения внутренней поверхности газового пространства к длине окружности наибольшего круга, вписывающегося в поперечное сечение газового пространства. У цилиндрического сепаратора X=1, а у квадратного X=1,273. В предлагаемом сепараторе кругообразность X газового пространства сепаратора больше или равна единице, например X ≥ 1,1, и предпочтительно X ≥ 1,15. Хотя сепаратор с кругообразностью X > 1 сам по себе известен из патента ФРГ N 3435214, было указано, что такая конструкция непригодна для отделения частиц и, таким образом, не рассматривалась как изобретение.
Внутри вихревой камеры предлагаемого циркуляционного реактора находится по меньшей мере частично облицованный тонким слоем износостойкого при истирании и теплостойкого огнеупорного материала. Этот слой огнеупорного материала практически не делает поперечное сечение газового пространства круглым, а он защищает области, наиболее подвергаемые истиранию в вихревой камере. Слой огнеупорного материала в предпочтительном воплощении изобретения практически не функционирует в качестве теплоизолятора в вихревой камере. Толщина слоя огнеупорного материала предпочтительно находится в пределах только около 40-150 мм. Этот тонкий износостойкий при истирании и теплостойкий слой из огнеупорного материала может прикрепляться с помощью болтов или других крепежных элементов к поверхности стенки вихревой камеры, которая предпочтительно представляет собой трубную панель. Путем прикрепления слоя огнеупорного материала непосредственно к охлаждаемой стенке без размещения какого-либо изолятора или других слоев между ними также обеспечивается возможность охлаждения огнеупорного материала. При охлаждении этот слой огнеупорного материала становится химически и механически более долговечным. В качестве износостойкого при истирании материала может выбираться теплопроводный материал. Такой материал способствует еще более быстрейшему охлаждению. Болты также улучшают охлаждение. Для снижения абразивного действия твердых частиц, взвешенных во входном газе, стенка, противолежащая входной стенке, и области, которые особенно подвержены истиранию, могут снабжаться специальным дополнительным слоем защитного огнеупорного материала или огнеупорного материала, который более износостоек при истирании, чем огнеупорный материал в остальных частях камеры.
В предпочтительном воплощении изобретения стенки вихревой камеры состоят из охлаждающих поверхностей, например, трубных панелей. Так как вихревая камера предпочтительно образована плоскими стенками, стеновые элементы могут представлять собой плоские или изогнутые готовые трубные панели. Таким образом, можно упростить сборку центробежного сепаратора, работающего в комбинации с реактором газификации или сжигания, путем приварки его в необходимом месте. Часть стенок или предпочтительно все стенки вихревой камеры выполнены из охлаждаемых конструкций. Система охлаждения вихревой камеры предпочтительно подсоединена к системе главных водо/паропроводов реактора с псевдоожиженным слоем, с которым она связана.
Охлаждаемый сепаратор частиц предлагаемого циркуляционного реактора не должен иметь толстую обшивку из теплостойкого огнеупорного материала или другие толстые защитные слои, которые бы могли легко разрушаться вследствие перепадов температуры в течение запуска или в процессе работы и, поэтому, могли бы легко разломиться или растрескаться (толстая футеровка также занимает много места). Согласно настоящему изобретению достаточно иметь сравнительно тонкие износостойкие при истирании защитные слои на охлаждающей панели. Таким образом, можно избежать проблемы, связанной с толстой футеровкой, а также другие проблемы, связанные с необходимостью компенсации тепловых расширений. Тепловые расширения как в реакционной камере, так и в сепараторе, могут быть легко предсказаны и скомпенсированы, когда оба эти устройства изготовлены из трубных панелей, в которых более легко регулируется температура. По существу, вследствие более малых или незначительных различий в тепловом расширении между реакционной камерой и предлагаемым сепаратором проблемы с компенсаторами между сепаратором и реакционной камерой могут быть сведены к минимуму.
В соответствии с предпочтительным воплощением изобретения центробежный сепаратор циркуляционного реактора содержит удлиненную вихревую камеру, в которой образуется два или более параллельных, разнесенных в пространстве газовых вихря. Боковые стенки вихревой камеры состоят из 4-х плоских панелей, например трубных панелей, две противолежащие стенки являются длинными и две остальные являются торцевыми стенками вихревой камеры. Предпочтительно длинные стенки могут быть в два или более раза длиннее торцевых стенок. В этом случае поперечное сечение внутреннего пространства вихревой камеры предпочтительно соответствует пространству двух или более последовательных квадратов, причем длина стороны квадрата равна длине торцевой стенки. Предпочтительно количество газовых вихрей равно количеству квадратов.
В удлиненной вихревой камере образуется множество последовательных вихрей в продольном направлении камеры путем соответствующего расположения газового входа/входов и газового выхода/выходов таким образом, чтобы количество образуемых в вихревой камере вихрей было равно количеству газовых выходов из нее. Газовый выход/выходы расположены в вихревой камере таким образом, чтобы обеспечивалась возможность тангенциального направления входящего газа с образованием одного или двух параллельных вихрей.
Газовые входы расположены в боковой стенке вихревой камеры таким образом, чтобы газ на входе направлялся тангенциально с образованием газовых вихрей в вихревой камере и максимизацией спин-эффекта вводимых газовых струй, соответствующих центрам отверстий газового выхода. Спин-эффект определяется как произведение m • V • r, где m - масса потока, V - скорость потока газа во входном отверстии и r - перпендикулярное (кратчайшее) расстояние между газовой входной струей и центром отверстия газового выхода. Газовые вихри, образуемые в вихревых камерах, являются практически концентричными с отверстиями газовых выходов. Можно также направлять газ с одного входа для образования двух смежных вихрей или направлять газ с двух или более газовых входов для образования только одного газового вихря.
Удлиненная вихревая камера пригодна для размещения рядом с (в рабочей связи) циркуляционным реактором с псевдоожиженным слоем таким образом, что одна из стенок реактора или по меньшей мере часть верхней секции служит в качестве стенки вихревой камеры. Таким образом, например, часть общей длинной стенки циркуляционного реактора может служить в качестве длинной стенки вихревой камеры, что, естественно, снижает стоимость затрачиваемого материала.
Кроме того, предпочтительно две другие стенки циркуляционного реактора могут использоваться для обеспечения сообщения реактора с сепаратором. Удлинения стенок, перпендикулярные общей стенке, могут составлять, например, торцевые стенки вихревой камеры. Таким образом, три охлаждаемые панельные стенки реактора могут использоваться в конструкции сепаратора, что дает значительную экономическую выгоду и упрощает процесс производства этого оборудования. Эта конструкция дает возможность располагать, например, пламенную печь реактора с псевдоожиженным слоем и сепаратор таким образом, чтобы создавалась одна прямоугольная конструкция, которая является наиболее выгодной с точки зрения ее поддержания.
Выход для отделенных твердых частиц может предусматриваться для каждого образуемого в вихревой камере газового вихря, так что легко установить равномерное распределение возвращаемых твердых частиц в реакционную камеру из нескольких соседних мест, например, в циркуляционном реакторе с псевдоожиженным слоем. С другой стороны, твердые частицы, отделенные в различных вихрях, могут собираться в одной сборной камере или бункере, расположенном в нижней секции вихревой камеры, и могут дальше подаваться в желаемое место в виде одного или нескольких потоков частиц.
В удлиненной вихревой камере для длинных стенок может потребоваться опора для упрочнения стеновых панелей и для предотвращения их прогиба. В этом случае между двумя противолежащими длинными стенками могут располагаться поперечные стенки для придания жесткости конструкции камеры. Поперечные опоры/стенки располагаются между двумя газовыми вихрями таким образом, что они не оказывают отрицательного действия на формирование вихря. Поперечные опоры/стенки изготавливаются из износостойкого при истирании материала или теплостойкого материала. Поперечные опоры могут образовывать разделительную стенку в вихревой камере с тем, чтобы частично или полностью разделить камеру на отдельные секции. Поперечные опоры могут простираться от потолка вихревой камеры вниз до ее дна, тем самым в камере образуется два или, в зависимости от числа поперечных стенок, более полностью разделенных газовых пространств. С другой стороны, поперечные опоры могут являться только короткими опорными элементами, которые, в действительности, не делят камеру на отдельные газовые пространства.
Предпочтительно, чтобы газовые входы в вихревую камеру были выполнены в виде вертикальных узких удлиненных щелей. Щели могут простираться в вертикальном направлении, например, на всю высоту верхней секции вихревой камеры. Ширина щели определяется в зависимости от требуемого поперечного сечения газового потока. Входы могут, предпочтительно, снабжаться направляющими пластинами для направления газа тангенциально в вихрь. Направляющие пластины также служат в качестве элементов жесткости для длинной стенки.
В центробежных сепараторах предлагаемого циркуляционного реактора образуется только один газовый вихрь, если сепаратор имеет квадратное поперечное сечение. Легко размещать множество таких сепараторов параллельно и тем самым конструировать компактную батарею циклонов, выполненную из простых элементов, причем она занимает мало места.
Важными значительными преимуществами изобретения является простота конструкции предлагаемого устройства и то, что реакционная камера и небольшая батарея из сепараторов твердых частиц может конструироваться, например, из простых плоских частей, таких как готовые трубные панели, которые могут изготавливаться заранее недорогим сварочным способом в мастерской. При расположении множества газовых вихрей, осуществляющих отделение твердых частиц, в одном удлиненном пространстве вихревой камеры необходима меньшая площадь стенки сепаратора в сравнении с батареей циклонов, собираемых из нескольких независимых сепараторов.
Вследствие охлаждения стеночная конструкция сепаратора тоньше, чем в обычных сепараторах для горючего газа, и вследствие своей квадратно-прямоугольной формы, сепаратор может изготавливаться из пластинчатых частей.
Сепаратор предлагаемого циркуляционного реактора конструктивно пригоден для очистки газообразных продуктов реакции или дымовых газов в газогенераторах и реакционных камерах, функционирующих на принципе псевдоожиженного слоя, где желательно иметь охлаждаемую конструкцию и где велико количество отделяемых твердых частиц. Изобретение, в частности, пригодно для отделения циркулирующих твердых частиц от газов в циркуляционных реакторах с псевдоожиженным слоем.
На фиг. 1 показана схема циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем в оперативной связи с центробежным сепаратором; на фиг. 2 - сечение по линии 2-2 на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по линии 3-3 на фиг.2; на фиг. 4 - вид второго воплощения предлагаемого циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем с сепаратором, расположенным в нем; на фиг. 5 - сечение по линии 5-5 на фиг.4; на фиг. 7, 9 - сечения, аналогичные представленным на фиг. 3 и 5, иллюстрирующие другие примеры расположения центробежных сепараторов в циркуляционном реакторе; на фиг. 6, 8, 10 - виды, аналогичные представленным на фиг. 5 и 9, для еще одних незначительно отличающихся воплощений изобретения; на фиг. 11 - поперечное сечение еще одного расположения центробежного сепаратора в циркуляционном реакторе; на фиг. 12 - поперечное сечение предлагаемого циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем с расположенными вокруг его периферии центробежными сепараторами; на фиг. 13 - вид, аналогичный представленному на фиг. 12, иллюстрирующий круглую конструкцию реактора с расположенными вокруг его периферии центробежными сепараторами; на фиг. 14 - вертикальное сечение другого воплощения предлагаемого циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем в комбинации с центробежными сепараторами; на фиг. 15 - 18 - вертикальные сечения, аналогичные представленному на фиг. 14, для других различных воплощений циркуляционных реакторов с псевдоожиженным слоем.
На фиг. 1, 2 и 3 показан циркуляционный реактор с псевдоожиженным слоем, содержащий реакционную камеру 10, центробежный сепаратор 12 твердых частиц (циклон) и возвратную трубу 14 для отделенных частиц. Реакционная камера 10 имеет прямоугольное поперечное сечение и составлена из трубных стенок, из которых на фиг. 1 показаны только длинные стенки 16 и 18. Трубные стенки, предпочтительно, представляют собой соединенные между собой трубные панели.
Верхняя часть стенки 18 изогнута для образования потолка 20 реакционной камеры 10. Стенки нижней секции реакционной камеры 10 защищены огнеупорным материалом 22. Реактор имеет вход 23 для твердых частиц. Дно реакционной камеры 10 состоит из распределительного щита 24, который имеет сопла или отверстия для введения псевдоожижающего газа из воздушной нагнетательной камеры 28 в реакционную камеру для поддержания в ней псевдоожиженного слоя. Ожижающий газ или ожижающий воздух вводится в реакционную камеру с такой высокой скоростью, что это вызывает непрерывный поток частиц материала псевдоожиженного слоя вместе с газом через отверстие 30, расположенное в верхней секции камеры 10, в сепаратор 12 частиц.
Как показано на фиг.1, 2 и 3, центробежный сепаратор 12 является многовихревым центробежным сепаратором, в котором в газовом пространстве 31 сепаратора образуются два параллельных вертикальных газовых вихря, отделяющих частицы от газа, поступающего из реактивной камеры, под действием центробежной силы. Вихревая камера сепаратора 12 предпочтительно включает плоские, практически прямоугольные трубные стенки 32, 34, 36 и 38. Предпочтительно эти стенки также представляют соединенные между собой трубные панели. Вихревая камера сепаратора 12 имеет одну длинную стенку, смежную с реакционной камерой, являющуюся общей с реакционной камерой, то есть часть стенки 16 реакционной камеры 10 является стенкой 32 вихревой камеры. В щели 30 стенка 32 изогнута внутрь вихревой камеры таким образом, что изогнутые части 40 образуют входной проход 42, ведущий газовый поток в газовое пространство вихревой камеры 31. Щель 30 является длинной и узкой, длиннее и уже, чем в обычных вертикальных циклонах, предпочтительно простирается на всю высоту верхней секции 13 вихревой камеры. В этой конструкции с одним входом для двух вихрей соотношение высоты к ширине может быть ниже, но предпочтительно > 3. Изогнутые части 40 предпочтительно образуют входной проход, сужающийся внутри вихревой камеры.
Верхние части стенок вихревой камеры предпочтительно являются вертикальными и плоскими и образуют верхнюю секцию 43. Нижняя часть длинной стенки 36 изогнута к противолежащей длинной стенке 32, образуя нижнюю секцию 45 вихревой камеры. Таким образом, образуется асимметричное удлиненное воронкообразное пространство 44, нижняя часть которого образует выход 46 для твердых частиц.
Выход 46 также служит в качестве входа в возвратную трубу (проход) 14. Длинные стенки трубы 14 образованы продолжениями стенок 32 и 36 сепаратора 12. Торцевые стенки трубки 14 соответственно образованы продолжениями стенок 34 и 38. Только часть, имеющая ширину трубы 14, торцевых стенок 34 и 38 простирается вниз, тем самым образуя возвратную трубу. Остальные части торцевых стенок только доходят до верхней части трубы 14, как показано на фиг. 1 для части стенки 34. Нижняя часть трубы 14 сообщается нижней секцией реакционной камеры 10 через L-образное колено 48 для возвращения твердых частиц, отделенных в сепараторе 12, и псевдоожиженный слой.
В верхней секции 43 вихревой камеры в отверстиях 50 и 52 расположены два последовательных газовых выходных патрубка 54 и 56, служащие для отвода очищенного газа из газового пространства 31 вихревой камеры. Газовые выходные патрубки 54, 56, то есть так называемые центральные патрубки в сепараторе, могут быть выполнены из керамики или могут быть охлаждаемыми патрубками для обеспечения возможности выдерживания высоких температур в сепараторе. Центральные патрубки предпочтительно расположены в газовом пространстве 31 вихревой камеры таким образом, что их центральные оси находятся на центральной оси газового вихря, образуемого завихряющимся газом в пространстве 31. Газы поступают от сепаратора 12 в проход 60, расположенный в самом его верху. Проход 60 снабжен поверхностями использования тепла 62. Далее газы проходят в вертикальную секцию 64 конвекции, расположенную за реактивной камерой 10, также снабженную поверхностями 66 использования тепла. Газы выпускаются через трубу 68.
Длинные стенки вихревой камеры усилены посредством разделительной стенки 70, простирающейся между стенами 32 и 36. В продольном направлении разделительная стенка 70 простирается от места под входом 30 по нижней секции вихревой камеры. Стенка 70 предотвращает прогибы и вибрации длинных стенок, вызываемые проходящим газом. Вместо разделительной стенки могут также использоваться в качестве элементов жесткости для длинных стенок износостойкие опорные брусы. Часть 40, отогнутая от стенки 32 для образования входной щели 30, придает жесткость стенке 32 в верхней секции вихревой камеры.
В вихревой камере отсутствуют круглые элементы для поддержания кругового движения газа в вихре или для направления твердых частиц. Поэтому поперечное сечение газового пространства 31 вихревой камеры, то есть пространства, заполняемого газом, совершенно не круглое. Тангенциальная подача входящего газа, расположение газового выхода и плоские стенки дают определенный вклад в образование газового вихря в газовом пространстве 31. Неожиданно было обнаружено, что для поддержания газового вихря нет необходимости в цилиндрических или других направляющих стенках в газовом пространстве 31 сепаратора 12. В настоящем описании и пунктах формулы изобретения термин круообразность означает отношение периметра поперечного сечения внутренней поверхности газового пространства 31 вихревой камеры к длине окружности наибольшего круга, вписывающегося в поперечное сечение, которое всегда > 1, например ≥ 1,1 и предпочтительно ≥ 1,15 согласно изобретению. Стенки вихревой камеры внутри облицованы тонким слоем износостойкого при истирании и теплостойкого огнеупорного материала, не показанного на чертежах. Толщина этого слоя обычно находится в пределах около 40-150 мм. Предпочтительно этот износостойкий при истирании и огнеупорный материал может наноситься непосредственно на стенки 32, 34, 36 и 38. В местах, которые в большей степени подвергаются истирающему действию, необходимо увеличивать толщину слоя этого материала или использовать более износостойкий при истирании и огнеупорной материал. Таким образом, например, стенка 36, противолежащая газовому входу 32, может иметь огнеупорную облицовку, длина которой соответствует высоте входа. По крайней мере часть частиц, захваченных газовой струей, входящей в вихревую камеру, затем ударяется в эту облицованную часть стенки 36.
Твердые частицы, увеличенные газом, входящим в сепаратор 12, обычно движутся по более прямой траектории, чем газ. Например, когда газ входит в вихревую камеру и изменяет направление своего движения с целью образования вихря, некоторые из частиц в основном продолжают двигаться по прямой траектории, в конце концов ударяясь в противолежащую стенку 36. Вследствие медленности изменения движения частиц крайние области вихревой камеры подвергаются истирающему действию и предпочтительно они должны быть защищены более толстым слоем огнеупорного материала или более износостойким огнеупорным материалом.
Однако при больших объемах потоков твердых частиц, свойственных работе циркуляционных реакторов с псевдоожиженным слоем, необязательно наибольшему истирающему действию, вызываемому твердыми частицами, подвергается область стенки, противолежащей входу. Критические области могут располагаться с обеих сторон этой области. Причиной этому могло бы быть то, что сами частицы при своем скольжении вниз по стенке образуют защитный барьер или защитный слой в этой области. При нанесении защитного слоя огнеупорного материала необходимо иметь в виду, чтобы износостойкий огнеупорный материал наносился на всю эту критическую область, а не только на ту ее часть, расположенную под прямым углом и напротив газового входа, в которую ударяются частицы.
Угловые области вихревой камеры способствуют лучшему отделению твердых частиц. В угловых областях поток газа, несущий твердые частицы, вынужден резко изменять свое направление. Газ изменяет направление своего движения более легко, чем твердые частицы, которые собираются в угловых областях. Это ведет к снижению скорости потока частиц в направлении вихревого потока в угловых областях. Поток частиц может даже полностью прекратиться при попадании в слой суспензии более тяжелых частиц близко к стенке в угловых областях, что ведет к дальнейшему скоплению частиц вблизи угловых областей.
Таким образом, концентрированные суспензии/слои частиц или другие скопления тяжелых частиц отделяются легче под действием гравитации от газового потока в вихревой камере и проходят вниз в угловых областях в нижнюю часть сепаратора.
Труба 14 также делится разделительной стенкой 71 на две части 13 и 15, нижние секции которых образуют, посредством облицованных кирпичом или огнеупорным материалом стенок 72, воронкообразные пространства 74 и 76, куда падают отделенные твердые частицы. Из воронкообразного пространства твердые частицы попадают через отверстия 78 и 80 обратно в нижнюю секцию реакционной камеры.
На фиг. 1 иллюстрируется предпочтительное воплощение изобретения, в котором стенка 16 реакционной камеры является стенкой 32 трубы 14. Согласно второму воплощению изобретения, показанному на фиг. 4, возвратная труба образуется отдельными стенками, в данном случае не используется стенка реакционной камеры. На фиг. 4 используются те же цифровые обозначения, что и на фиг. 1, 2 и 3. В нижней секции вихревой камеры 12 стенки 32 и 36 изогнуты в направлении друг к другу для образования симметричного канала в нижней секции вихревой камеры. Таким образом, возвратная труба 14 располагается на небольшом расстоянии от реакционной камеры. Нижняя часть возвратной трубы 14 снабжена петлевым уплотнением или коленом 84, которое предотвращает утечку газа из реакционной камеры в возвратную трубу 14.
В воплощении изобретения, показанном на фиг. 4, труба 14 представляет собой такую же удлиненную трубу, которая показана на фиг. 2. Однако с помощью разделительных стенок самая нижняя секция вихревой камеры может иметь такую форму, чтобы образовывались один или несколько выходов для твердых частиц в воронкообразном дне вихревой камеры, при этом форма выходов близка к квадрату или кругу. Таким образом, выход или выходы могут соединяться с возвратными трубами как в обычных вертикальных циклонных сепараторах.
На фиг. 5 показано поперечное сечение по линии 5 - 5 на фиг. 4, соответствующее сечению по линии 3 - 3 на фиг. 1. В воплощении изобретения, показанном на фиг. 1, 2 и 3, вихревая камера 12 имеет один газовый вход 30. Центробежный сепаратор, показанный на фиг. 5, имеет два входа 86 и 88, по одному для каждого газового вихря. Как в случае фиг. 3, поперечное сечение вихревой камеры 12 также представляет собой прямоугольник. Поперечное сечение газового пространства на вихрь почти квадратное. Стенки вихревой камеры защищены тонким слоем износостойкого при истирании огнеупорного материала, не показанного на чертежах.
Центробежный сепаратор предлагаемого циркуляционного реактора обладает преимуществом, так как в одном корпусе сепаратора может быть образовано множество газовых вихрей. Например, в одном пространстве внутри сепаратора могут образовываться четыре вихря, тем самым, как показано на фиг. 8, каждый вихрь может иметь свой газовый выход 54, 55, 56 и 57. Предпочтительно сепаратор имеет два газовых выхода, так что один вход служит для подачи газа для образования двух вихрей. Соответственно, можно представить себе сепараторы, имеющие еще большее количество вихрей.
Газовые входы расположены в сепараторе таким образом, чтобы осуществлялась подача газа главным образом тангенциально к вихрю, который должен быть образован. В воплощении изобретения, показанном на фиг. 8, многовихревой сепаратор имеет опорную стенку 70, поддерживающую длинные стенки сепаратора. Стенка делит вихревую камеру на две равные по размеру секции.
С другой стороны, также независимые сепараторы с двумя вихрями могут просто размещаться рядом для образования батареи сепараторов из четырех вихрей. Из-за использования плоских стенок сепараторы легко размещаются рядом без какой-либо необходимости в дополнительных площадях. Таким образом, может просто соединяться требуемое количество меньших по размеру стандартных сепараторов. Такая конструкция намного дешевле, так как элементы сепараторов стандартного размера могут конструироваться и вместо изготовления одного сепаратора большого размера может комбинироваться требуемое количество меньшего размера.
Когда несколько плоских стеновых элементов комбинируется для образования длинных сепараторных батарей с общими разделительными стенками между различными секциями сепаратора, количество стенок, которые должны свариваться на месте, намного меньше, чем в производстве комбинации полностью несоединенных сепараторов. Количество стенок в сепараторной батарее согласно изобретению равно или меньше суммы из количества образуемых вихрей плюс три, когда между всеми вихрями имеется разделительная стенка. Общая площадь стенки, необходимая для сепараторных блоков, также меньше, что делает сепаратор более дешевым. Конструкция, показанная на фиг. 1, является очень выгодной. В этой конструкции в сепараторе также используется площадь поверхности стенки реакционной камеры. В этом случае количество требуемых стенок равно или меньше суммы из количества вихрей плюс два, когда между всеми вихрями имеется разделительная стенка. Количество стенок еще меньше, если не используются разделительные стенки.
Также в сепараторе может быть только один вихрь и один или более газовых входов, как показано на фиг. 9. Преимущества изобретения, получаемые за счет построения вихревой камеры из плоских стенок, состоят в том, что внутренняя часть вихревой камеры практически совершенно не круглая, также достигаются в данном случае.
Показанные воплощения изобретения не ограничивают объем изобретения и могут быть предложены различные модификации в пределах объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, в некоторых случаях вихревая камера циркуляционного реактора может иметь поперечное сечение в виде многоугольника, например шестиугольника или даже восьмиугольника, также изготовленная из плоских панелей. Поперечное сечение газового пространства вихревой камеры в основном такое же по форме, как поперечное сечение, образованное внешними стенками вихревой камеры. В предлагаемом сепараторе газовое пространство вихревой камеры не имеет практически изогнутых стенок, например, выполненных из износостойких при истирании огнеупорных материалов, теплоизоляционных огнеупорных материалов или направляющих пластин так, чтобы поперечное сечение вихревой камеры становилось бы близким к круглому. Однако, внутренние стенки могут быть облицованы тонким слоем износостойкого при истирании огнеупорного материала.
В показанном на фиг. 6 воплощении изобретения вихревая камера 12 имеет поперечное сечение в виде многоугольника и отсутствует разделительная стенка между газовыми пространствами, как было в воплощении изобретения, показанном на фиг. 5. На фиг. 6 показан один вход 86, 88 для каждого вихря, образуемого в вихревой камере 12 газового пространства 31. На фиг. 6, 8, 10 цифровые обозначения для сравниваемых конструкций такие же, как это имеет место в воплощениях изобретения, представленных на фиг. 5, 7, 9.
В воплощении, показанном на фиг. 8, имеется по одному входу 86, 88 для газовых вихрей, образуемых соответственно, в газовых пространствах 31a и 31b. На фиг. 10 показан модуль с одним газовым вихрем.
На фиг. 11 показаны два газовых пространства 31a и 31b с газовыми вихрями, имеющими овальное поперечное сечение и овальные газовые выходные отверстия 50, 52.
На фиг. 12 показано поперечное сечение циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего реакционную камеру 110 в середине и сепараторные модули 112a, 112b, 112c и т. п. вокруг верхней части реакционной камеры 110. Конструкции в этом воплощении изобретения, сравнимые с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 1.
На фиг. 13 показано поперечное сечение цилиндрической реакционной камеры 210 циркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем, окруженной сепараторными модулями с изогнутыми стенками. Конструкции в этом воплощении изобретения, сравнимые с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 2.
На фиг. 14 - 18 показаны вертикальные сечения циркуляционных реакторов с псевдоожиженным слоем с установленными в них предлагаемыми центробежными сепараторами. На фиг. 14 сепараторы установлены на двух противоположных сторонах реакционной камеры. Обе длинные стенки 332a, 332b и 336a, 336b сепараторов изогнуты для образования возвратной трубы 314a и 314b. Одни из длинных стенок 332a и 332b являются стенками, общими с реакционной камерой. Тем самым сепараторы установлены с частичным входом в реакционную камеру. Возвратные трубы расположены снаружи реакционной камеры. Конструкции в этом воплощении изобретения сравнимы с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 3.
В воплощении изобретения, показанном на фиг. 15, только один из центробежных сепараторов 412b имеет длинную изогнутую стенку 432b, общую с реакционной камерой 410, и тем самым только этот сепаратор 412b выступает в реакционную камеру. Возвратная труба 414a другого сепаратора находится снаружи реакционной камеры. Конструкции в этом воплощении изобретения, сравнимые с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 5.
На фиг. 17 показано воплощение изобретения, имеющее два сепаратора 612c, 612d, целиком установленные внутри реакционной камеры 610 без каких-либо общих стенок с ней. Соответствующие возвратные трубы 614 образуют разделительную стенку внутри реакционной камеры 610. Конструкции в этом воплощении изобретения, сравнимые с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 6.
На фиг. 18 показан предлагаемый центробежный сепаратор 712 проходного типа, имеющий выход для газа 750 в донной части вихревой камеры 712. Конструкции в этом воплощении изобретения, сравнимые с показанными на фиг. 1 - 5, имеют те же самые двухзначные цифровые обозначения с добавлением спереди цифры 7.
Хотя изобретение было описано в связи со считающимся в настоящее время самым предпочтительным воплощением изобретения, совершенно очевидно, что изобретение не ограничивается раскрытым воплощением, а наоборот, предполагает защиту различных модификаций и эквивалентных устройств, не выходящих за рамки сущности и объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.
Реактор предназначен для отделения твердых частиц от газов. Циркуляционный реактор с псевдоожиженным слоем включает реакционную камеру, ограниченную в горизонтальном направлении вертикальными стенками, средство для введения в реакционную камеру ожижающего газа, трубу для подачи в реакционную камеру топлива или другого твердого материала, центробежный сепаратор, подсоединенный к реакционной камере, служащий для отделения твердых частиц от газов, выходящих из реакционной камеры, возвратную трубу для рециркуляции отделенных в сепараторе твердых частиц в реакционную камеру, выход для выпуска газов из сепаратора. При этом центробежный сепаратор включает вертикальную вихревую камеру, которая имеет стенки, определяющие внутреннее газовое пространство. Вертикальные стенки реактора выполнены плоскими или изогнутыми, или цилиндрическими, а вихревая камера выполнена по меньшей мере частично как охлаждающая конструкция, имеющая отношение периметра поперечного сечения внутренней поверхности вихревой камеры к длине окружности наибольшего круга, вписывающегося в поперечное сечение вихревой камеры, больше 1. Данный реактор более простой по конструкции, менее склонный к повреждениям. 17 з.п. ф-лы, 18 ил.
Приоритет по пунктам:
20.02.91 по пп.1 - 3;
15.10.90 по пп.4 - 18.
| SU, авторское свидетельство, 300984, кл.B 01J 8/18, 1971. |
